Серединин Е.C., Моргун С.И., Куренков В.О., ЗАТ ЕСОММ Со, г. Киев, Украина, e-mail: es@ecomm.kiev.ua, info@ecomm.kiev.ua, web: ecomm.kiev.ua
STRATEGIC PROSPECTS FOR INTEGRATED ANTARCTIC SCIENTIFIC GEODATABASE development on ArcGIS platform
В статье идет речь о текущей ситуации и перспективах использования технологии ГИС для создания интегрированной геобазы научных данных на основе многолетних наработок в области автоматизации обработки информации в Национальном антарктическом научном центре Министерства образования и науки Украины (НАНЦ МОН Украины). На сегодняшний день мы уже можем утверждать, что данное решение эффективно, своевременно, соответствует мировым стандартам сбора, обработки и представления научных данных.
Преимущества геоинформационных систем
Влияние информационных технологий на жизнь современного общества постоянно растет. Несмотря на кризисные явления, которые затронули и научно-техническую сферу, это влияние будет только увеличиваться, чему способствует постоянный рост:
- скорости обработки данных;
- пропускной способности сетей;
- возможностей применения мобильных решений;
- использования веб-технологий и технологий создания виртуальных сред.
Очевидно, что в таких условиях использование геопространственной составляющейзначительно повышает продуктивность работы с информацией и выводит технологию ГИС на еще более значимые рубежи. И это особенно интересно видеть на примере наименее изученной территории на нашей планете – Антарктики.
В настоящее время географический подход является наилучшим для решения различных задач человеческой деятельности. Он позволяет экономить и рационально расходовать деньги, время, ресурсы благодаря:
- возможности интеграции разнообразных данных;
- наличию современных методов пространственного анализа;
- средствам моделирования различных процессов и явлений, объединения моделей в единую базу данных;
- возможности автоматизации рабочего процесса получения новых данных (нового знания) из имеющейся информации.
В нашей работе мы используем наиболее популярную в мире ГИС линейку программных продуктов ArcGIS, позволяющих выполнять самый широкий спектр задач:
- картография;
- визуализация информации;
- анимация;
- количественная обработка данных;
- построение диаграмм;
- выполнение моделирования, пространственного анализа, обеспечение сетевого взаимодействия;
- управление данными, в том числе централизованное;
- использование веб-сервисов;
- создание распределенной серверной архитектуры.
Рис. 1. 45 стран имеют постоянно действующие полярные станции. Антарктическая станция им. Вернадского (Украина) находится на о-ве Галиндез, до 1996 г. это была станция Великобритании «Фарадей».
Программное обеспечение ArcGIS используется на Украинской Антарктической станции Академик Вернадский (рис. 1), а также в работах по антарктической тематике, в которых принимает участие ряд организаций Академии Наук Украины:
- Национальный антарктический научный центр МОН Украины;
- Институт геологических наук НАН Украины;
- Институт геофизики им. С.И. Субботина НАН Украины;
- Институт Микробиологии им. Д.К.Заболотного НАН Украины.
Специалисты компании ЕСОММ Со, в числе прочего, проводят обучение и дают консультации по использованию данного программного обеспечения сотрудникам вышеперечисленных организаций.
Сбор данных в «поле»
На протяжении ряда лет сотрудники компании «ECOMM» принимают участие в сезонных научных экспедициях на станции «Академик Вернадский», где выполняют следующий комплекс работ:
- Пространственную привязку точек отбора проб биологами, геологами, геофизиками и другими специалистами.
- Маршрутную GPS съемку синхронно с двухчастотным эхолотом “Lourens”, выполняющим непрерывный промер глубин морского дна. Эти работы ведутся в соответствии с планом работ Лаборатории геологии и геофизики Антарктики НАНЦ МОН Украины и темой «Исследования внутреннего строения Земли и создание электронного атласа Антарктики на основе использования метода гравиметрической томографии».
- Маршрутную GPS съёмку синхронно с магнитометрической съёмкой при помощи протонного магнитометра РМР-8 по программе геофизических исследований – в рамках темы тектономагнитных и электромагнитных исследований земной коры западного побережья Антарктического полуострова.
- Геодезическую съемку рельефа и береговой линии островов и материковой части западного побережья Антарктического полуострова для уточнения и детализации топоосновы.
Съемка выполняется при помощи программно-аппаратного комплекса «ГеоКолектор», который описан в отдельной статье.
Создание базы геоданных «ГИС – Антарктика»
Благодаря использованию единой платформы (ArcGIS) для сбора, хранения, обработки и представления информации, ГИС-проекты легко интегрируются. Используя общую картоснову, различные наборы данных (геодезические, топографические, биологические, геологические, микробиологические, геофизические и др.) можно хранить как автономно, так и в общей базе данных.
Создание топоосновы о. Галиндез (Galindez), на котором расположена станция, и близлежащих островов стало первым этапом по разработке геобазы (базы геоданных) «ГИС – Антарктика». На этом этапе широко использовались космоснимки разного разрешения, что позволило получить картоснову для труднодоступных мест как на о. Галиндез (ледники, ущелья, обрывы и т.п.), так и на материке.
На следующем этапе разработки базы геоданных был создан модуль инфраструктуры Антарктической станции им. Вернадского, что позволило в среде ArcGIS просматривать количественные и пространственные характеристики ее строений и инженерных сооружений. Интерфейс ArcMap позволяет систематизировать все эти данные и использовать их в разных проектах. Так, на рис. 2 показаны атрибутивные (описательные) данные единицы инфраструктуры (жилое помещение 1) и его отображение на топоплане, а также его фотографическое изображение, которое рассматривается как атрибутивный признак.
Рис. 2. Работа с базой геоданных «ГИС – Антарктика» в среде ArcGIS; показана инфраструктура Антарктической станции им. Вернадского.
База геоданных в таком виде использовалась в разных проектах: «Проектирование схемы трассы заправочного трубопровода», «Проектирование нового танка для топлива и трубопроводов» и др. В первом проекте речь шла о надземной прокладке трубопровода от узла заправки в районе топливных баков до места причала судна (северо-восточная часть острова). При создании схемы трассы длиной около километра решались следующие задачи:
- «привязка» проекта трассы трубопровода с учетом влияния ледника;
- минимизация материала для опор трубопровода с учетом
- рельефа местности
- бетонных площадок имеющихся инженерных сооружений
- более точных расчетов при создании проекта
- уточнения исходных данных для проекта.
Создание базы геоданных «Микробиологический полигон»
Большой спектр задач был решен в процессе создания геобазы «Микробиологический полигон», являющейся составной частью базы геоданных «ГИС-Антарктика». Они включали построение геодезической сети полигона, привязку маркерных мест отбора микробиологических образцов, геодезическую привязку различных типов биотопов (местообитаний) – мхов, лишайников, ила (оконтуривание озер).
Особенно интересной задачей оказалось построение трехмерной топологической модели полигона, что позволило вести расчет пространственных факторов, влияющих на биоценозы: уклонов, экспозиций, гидрорежима, солнечной радиации (рис. 3).
Рис. 3. Трехмерная модель Микробиологического полигона с дополнительной информацией.
Визуализация микробиологических данных в среде ArcGIS с использованием трехмерных моделей полигона позволяет более наглядно отображать пространственные закономерности в изменении изучаемых параметров, таких как устойчивость микроорганизмов к токсичным металлам, концентрация металла в среде и т.д.
Работа с растровыми изображениями
В ArcGIS ведётся реляционная фотографическая база данных с геопространственной привязкой, где фотоизображение представляют в виде атрибутивных свойств в ячейке таблицы. Такой подход позволяет получить структурированный каталог обширных фотоматериалов с геопространственной составляющей (рис. 4).
Рис. 4. Обращение к архиву фотоматериалов с пространственной привязкой.
При работе с данными микробиологов был опробован оригинальный способ использования ГИС технологии. Фотографии вертикально расположенного полигона (модельная экосистема «Скалодром-2») были топологически привязаны к точкам отбора проб, что позволило просчитать площади и объемы различных типов биоценозов на исследуемой территории (рис. 5, 6). Столбики и круговые диаграммы на этих рисунках показывают соотношения в количестве пигментированных и непигментированных форм микроорганизмов.
Рис. 5. Топологическая привязка вертикально расположенного полигона микробиологических исследований (модель экосистемы «Скалодром-2»).
Рис. 6. Представление микробиологических данных на модели местности.
Применение возможностей ГИС при создании карт электро- и гравимагнитных аномалий Аргентинского Архипелага
ArcGIS позволяет успешно выполнять задачи по построению интерполяционных поверхностей по точечным экспериментальным данным. Такие поверхности строятся с использованием специфических математических методов: сплайнов, кригинга, обратных взвешенных расстояний (IDW) и других. Эти возможности с успехом применялись в геофизической и геологической тематиках НАНЦ МОН Украины, при создании карты магнитных аномалий Аргентинского архипелага, в картировании батиметрических данных в районе о. Галиндез и соседних островов.
Весьма перспективно трехмерное представление гравимагнитных данных (см. рис. 7). В верхней части рисунка показан вертикальный разрез гравитационного поля, чуть ниже – тот же разрез, но магнитного поля. Согласно примененной методике (она аналогична описанной в статье «Подсчет запасов полезных ископаемых «легкими» методами» в ArcReview №51), разрезы выполняются по предварительно построенному кубу данных. В результате, мы имеем возможность строить сечения в любом направлении и любой формы.
Рис. 7. Трехмерное представление гравимагнитных данных.
Серверные ГИС – стержень будущих информационных решений
Сейчас появилась возможность создания интегрированной Антарктической базы геоданных. Это необходимо делать с учетом опыта внедрения и использования ГИС технологий в НАНЦ МОН Украины, институтах АН Украины, УАС и с обязательным использованием серверных ГИС, что позволяет проводить сбор, хранение, обработку геоданных и обмен ими на современном международном уровне. Ниже приводится описание и основные особенности такой информационной системы.
Одним из основных ее компонентов является ArcGIS Server – серверный программный комплекс, позволяющий работать с картографической и другой геопространственной информацией в сетях интранетинтернет (рис. 8). В настоящее время он позволяет реализовывать наиболее современные решения по развертыванию распределенных ГИС.
Рис. 8. ГИС на базе ArcGIS Server.
Использование ArcGIS Server обеспечивает целостность и актуальность данных в любой момент времени. Кроме того, есть возможность сохранить в имеющихся форматах все базы данных, которые уже используются в НАНЦ МОН Украины и в научно-исследовательских институтах. Ну а главное, что данные будут доступны всем, кому они предназначены. Благодаря использованию серверных технологий обеспечивается интеграция с любыми другими приложениями, такими как Internet Explorer и другие браузеры, с приложениями MS Office и т.п. На сервере осуществляется сбор, хранение, создание запросов к данным, анализ геоданных, что повышает надежность и эффективность функционирования всей системы (рис. 9).
Рис. 9. Реализация комплексного решения по сбору, хранению, обработке и представлению данных в «ГИС-Антарктика»на основе ArcGIS Server.
Пользователи ГИС, с одной стороны, могут наполнять картографический сервер новой информацией, размещая в общем хранилище созданные ими данные, слои цифровых карт, базы геоданных. С другой стороны, обладая необходимыми правами доступа, они могут пользоваться размещенной на сервере картографической информацией. При этом, несколько специалистов могут одновременно работать над разными частями одного и того же проекта, создавая общую карту или набор карт, поддерживая или наполняя общую базу данных. И, наконец, пользователи могут применять возможности сервера по обработке данных.
В серверной ГИС реализуется ключевая идея – все, что можно сделать в «настольной» ГИС (ArcGIS Desktop), можно сделать и в серверной среде (ArcGIS Server). Это реализуется путем создания сервисов, которые находятся непосредственно на сервере. Таким образом, пользователь, используя Интернет и имея определенные права доступа к ГИС-серверу, посредством собственного ГИС-приложения или просто браузера получает возможности полнофункциональной ГИС. Это еще один путь по экономии средств и ресурсов. Сервисы также могут быть использованы любыми приложениями, способными интегрировать их в информационную среду предприятия.
Один из примеров сервиса представлен на рис. 10. Это «трекинговое» решение в серверном исполнении, позволяющее выполнять мониторинг перемещения полярников, работающих вне станции. На диспетчерском пункте, на станции или в любой точке земного шара, при наличии интернет-канала достаточной пропускной способности, в реальном времени отображаются треки перемещающихся объектов.
Рис. 10. Трекинговое решение в серверном исполнении.
Бурное развитие мобильных приложений находит свое отражение и в реализации этой темы в различных видах сервисов и в самих ArcGIS продуктах. У исследователей сейчас большой выбор как в аппаратной части – КПК, смартфоны, мининоутбуки, так и в программных решениях (онлайн или офлайн режимы, использование серверных решений или автономная работа). Но во всех случаях обеспечивается комплексный подход в подготовке и осуществлении проекта.
ГИС портал – единое окно в мир пространственных данных
И в заключение несколько слов о перспективнейшем направлении применения серверных технологий – создании ГИС портала.
Несколько лет назад возникла идея создания Инфраструктуры пространственных данных (ИПД) путем объединения самих информационных ресурсов и метаданных («информации об информации») в форме ГИС-портала.
Само понятие портала взято из архитектуры (лат. Porta – вход, ворота), где этот термин используется для обозначения «главного входа» сооружения или комплекса. С точки зрения пользователей, ГИС-портал является «единым окном» доступа прежде всего к метаданным, он обеспечивает поиск необходимой пространственной информации по ее описанию, а также непосредственное получение геоданных и работу с цифровыми картами (рис. 11).
Рис. 11. Организация ГИС-портала.
С организационной стороны ГИС-портал – это технология и программное обеспечение одношлюзового Web-доступа для поиска, передачи и использования геоданных и сервисов в любом пункте Глобальной сети Интернет, а также размещения информации об имеющихся у кого-то данных. Портал представляет собой единый узел доступа к пространственным данным, независимо от их местоположения, формата и структуры.
Портальное решение позволит решить три масштабные задачи ГИС-сообщества:
- объединение информационных ресурсов множества производителей и пользователей пространственных данных на всех уровнях интеграции – от глобального до территориального или локального;
- обеспечение поиска/доступа к необходимой информации простыми средствами, не требующими специализированного программного обеспечения и подготовки;
- упорядочение пространственной информации в общедоступные каталоги, пригодные для автоматизированного поиска по разным критериям (временнЫм, пространственным, семантическим и т.п.).
При создании ГИС-портала в Национальном антарктическом научном центре данные будут доступны (на определенных условиях) для ученых всего мира, имеющих отношение к Антарктическим исследованиям.
Очевидно, что планомерное внедрение ГИС-технологий на Украинской антарктической станции Академик Вернадский, в Национальном антарктическом научном центре, а также в других организациях, участвующих в проведении антарктических исследований, обеспечивает, а в дальнейшем еще в большей степени будет обеспечивать высокую эфективность в технологии сбора, хранения и использования научной информации. Авторы выражают надежду, что в ближайшем будущем по разнообразию технологических решений, обьему научной информации и спектру направлений исследований данный проект станет одним из лучших национальных ГИС-проектов и безусловно будет выступать в качестве эталона системных ГИС-решений.
